TL431驱动三线PT100热电阻电路设计

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我是靠谱客的博主干净钥匙，最近开发中收集的这篇文章主要介绍TL431驱动三线PT100热电阻电路设计，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

最简单的测温方式是DS18B20或者DHT11这种数字传感器模块，但是这种传感器测温范围有限。
然后是热电阻和热电偶，测温范围比较广。
热电偶的工作原理如下：

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电阻就不用说了，温度变阻值变。
所以一般热电阻都需要一个电流源。

最简单的使用方法就是一个热电阻串接一个固定电阻，热电阻两端的电压和其阻值成正比，但是这样的效果并不好，以下是可能原因：

系统中VCC可能会抖动，造成测试结果抖动。
国家标准规定，pt100的标准参数中，其允许通过的电流要<=5mA！
假设VCC为5V，线路上总阻值要1000欧姆。设环境温度为0度，即PT100阻值为100欧姆，需要串900欧姆的电阻，这个时候AD的采样区间就只有0-0.5V，大大浪费了AD芯片的采样区间。

所以我们需要使用恒流源去驱动PT100，保证其测量的稳定性。
在这里插入图片描述
上图是TL431的等效原理图，可以看到，左边的参考输入给内部的运放，控制右边的三极管导通程度，如果外部我们在电路上给R端和K端连接，就能实现一个反馈。
先举个恒压源的例子：

这里R端和K端短接，内部结构会保证K端电压为2.5V，所以VKA为2.5V，注意输入那里的电阻不能省。TL431做电压源的实质是通过控制内部三极管的导通程度，进而控制输入端电阻通过的电流，改变该电阻的压降，输出Vka的。

在这里插入图片描述
这个可编程电源也是一样的。

然后是电流源：
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上图是DataSheet给出的设计图，下图是Multisim的仿真图：

在这里插入图片描述

万用表可以看到，Vref是2.5V的，Rs我们选择200欧姆，就做出了一个12.5mA的恒流源。
对比上面两幅图，负载一个是50欧姆，一个是150欧姆，负载改变时，电流依然没有变，变的是三极管Q1两端的电压，通过探针5可以看到，其实质是因为Q1基极电流发生了改变。所以431让Q1基极的电压变高了，只是变高的幅度非常小，探针看不到。

上述的电路并不方便测量，如果要测量R2两端的电阻，我们测量端和这边没有办法共地，电路设计不方便。
而且上图只是做了一个恒流源，可以用于两线制，但我们实际是用三线制，目的就是为了抵消导线电阻，所以这里就必须要用到运放了。

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如上图所示，把负载接在Iout那里，另一端接地，就可以很方便的测量了，参考下图：

上图中，R3是PT100，当前阻值为100欧姆，然后R4、R5、R6分别是三线制的导线等效电阻，R7、R8、R9、R10和U2A构成了一个减法电路，测得的就是R3两端的电压，可以看出运放的效果很明显的，测量输出和直接测量R3的电压几乎没什么差别。
但是在这个过程中，我们发现我们的恒流源是有问题的，恒流源是应该是2.5V/5k=500uA，探针4可以看出经过三极管Q1的电流是正确的，但是流入R4的电流却已经是679uA，其中流经431的电流达到了183uA，这里的电流就大了接近36%，导致电压结果和实际值偏差了35%。

于是我们换了另外一种方式，把负载加在恒流源的三极管和Rcl之间，如下图：
在这里插入图片描述
这样，流过R2的电流就不会流过负载了。
通过探针1可以看到，恒流源电流为501uA，但是探针3检测到的电流为622uA，探针4检测到的电流为744uA，这多出来的244uA，导致电压结果和实际值偏差了24%。
通过探针3和探针5可以看到，R8和R7这里均有120uA左右的漏电流，为了解决这个问题，再得加一个电压跟随器。
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探针2和探针3可以看出，添加了电压跟随器之后，这边的漏电流仅有19.6nA，而实际R2两端电压应该是991uA*100Ω=99.1mV，测量值为99.7mV，误差仅为0.6%。
这里991uA还是因为TL431稳压的误差，在实际计算中，这里恒流源的理论值为1mA，所以R2两端实际电压应该是100mV，这样算下来误差仅为0.3%。

但是在实际的使用过程中，0度的时候为100欧姆，650度的时候约330欧姆，无论是对于可以直接采样3.3V的stm32单片机，还是可以采集5V的各种AD模块，其区间都是有很大的浪费。
而且LM358本身就是双通道运放，所以可以使用另一个运放做同相放大电路。
在这里插入图片描述
上图是放大10.1倍的结果，刚好适用于stm32直接采样。

以上仅仅是一个仿真，实际电路还未焊接测试。

2019.3.20修改：
以上电路有一个错误，就是U3A的输入没有办法直接连上，修改如下：
在这里插入图片描述
如图，运放的输入应该在R3上端引出，后面的U1A是一个运放加减法器，运放加减法参考：
https://blog.csdn.net/qq_27508477/article/details/88633755